砂卵石地层城市地铁修建对既有建筑物影响分析*

陈 炜，毕志华，孙海峰，彭小雨，王 亚

(1. 中国水利水电第四工程局有限公司，河南 洛阳 471000； 2.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，大力推进城市建设的同时，出现交通拥堵、城市环境日益恶化等问题。地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通方式，迅速成为解决交通问题的首要选择[1-3]。城市地铁施工主要包括基坑开挖卸载与后期建筑施工加载、区间隧道施工，这两部分施工会对地表既有建(构)筑物产生不利影响。关于城市地铁施工对地表既有建(构)筑物的影响及控制措施，已有一定的研究成果。

在基坑施作方面，不少学者对基坑开挖进行全过程有限元模拟，分析基坑开挖时土体的应力变化，并总结基坑围护结构的变形规律[4-5]。结合大量软土地层基坑施工案例与模型试验结果，对比研究基坑开挖对建筑物桩基变形的影响规律[6-7]。建立基坑开挖数值模型，分析基坑围护结构、周边地表沉降、邻近建筑物沉降间的作用关系，并归纳总结其变化规律[8-10]。在区间盾构隧道施工方面，通过分析盾构施工周围沿线既有建筑物的环境风险，给出地表沉降计算方法[11]。利用有限元软件研究盾构掘进对既有建筑物受力和变形的影响规律[12-15]。利用有限元软件分析不同围岩、埋深下盾构隧道穿越既有建筑时的地表沉降及变形规律[16]。

现有研究大多单独考虑城市地铁施工过程中地铁车站和区间隧道施工影响，综合考虑两者施工影响的研究尚不多见。

1 工程概况

洛阳市轨道交通1号线丽景门—青年宫区间隧道(DK16+782.840—DK17+855.778)西起西关路，沿中州东路向东铺设，止于青年宫，左、右区间共长2 150.202m， 右线在DK16+800—DK16+940近距离下穿地标建筑物九龙鼎，且九龙鼎距丽景门站东端头最近约29.9m，九龙鼎与双线隧道关系如图1所示。

图1 九龙鼎与双线隧道关系

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

在模拟过程中取基坑深度18m，双线隧道中心线间距16.1m，考虑到基坑开挖影响范围为开挖深度的3～5倍，隧道开挖影响范围为开挖洞径D(6m)的3～5倍，综合考虑模型尺寸为x=81m，y=50m，z=201m。其中，丽景门站基坑长60m、宽24m，东侧端头距九龙鼎30m，西侧端头距九龙鼎90m，整体模型如图2所示。

图2 整体模型

2.2 计算参数

模型土体采用Druker-Prager屈服准则，土体材料具体取值如表1所示。

表1 土体材料参数

九龙鼎自身及底层基础、基坑开挖过程中的支护结构、隧道开挖过程中的衬砌结构及注浆层均采用弹性材料模拟，具体参数取值如表2所示，其中第1类钢支撑为基坑施工中第2，4道钢支撑，第2类钢支撑为第3，5道钢支撑。

表2 支护结构材料参数

2.3 计算过程控制

先开挖丽景门站基坑，再进行隧道开挖，双线隧道及基坑位置关系如图3所示。

图3 双线隧道及基坑位置关系

1)丽景门站基坑开挖 通过单元的“杀死”与激活模拟基坑开挖与支护，模拟施工步骤为：冠梁及灌注桩自重应力平衡，第1道混凝土支撑施作，开挖区1开挖(3m)，第2道钢支撑施作，开挖区2开挖(3.5m)，第3道钢支撑施作，开挖区3开挖(3.5m)，第4道钢支撑施作，开挖区4开挖(4m)，第5道钢支撑施作，开挖区5开挖(4m)。

2)丽景门站—青年宫站区间隧道开挖 隧道开挖顺序为左1隧道→左2隧道→右1隧道→右2隧道，由于管片幅宽为1.5m，计算中每个开挖步长均取两环管片幅宽，即3m，每条线开挖46步，双线共92步。具体模拟过程为：①地层自重固结沉降；②开挖两环管片土体，释放25%的地层荷载；③拼装管片并脱出盾尾，释放剩余75%的地层荷载；④管片脱环，6环范围内注浆层为未固化状态，超出6环变为固化状态。

2.4 监测断面及监测点布置

1)监测断面布置 为准确得到砂卵石地层下基坑及隧道施工时地表横、纵向的沉降规律，选取纵向监测断面1，2、横向监测断面1，2进行监测分析(见图2)。

2)九龙鼎监测点布置 在建筑物九龙鼎布设8个沉降监测点，如图4所示。

图4 九龙鼎监测点布置

2.5 车站施工沉降特性分析

2.5.1地表沉降

基坑开挖过程中纵向监测断面1，2的沉降变化趋势相似，横向监测断面1，2的沉降变化趋势相似，以纵向监测断面2、横向监测断面2为例，绘制地表沉降曲线，如图5所示。由图5a可知，纵向监测点主要监测沉降变形，随基坑开挖深度的增加而增加，主要变形区距基坑边缘0～30m(1.7H，H=18m)。靠近基坑围护结构端部的土体发生沉降，随着距离基坑的水平位移增加，沉降值逐渐减小，在距基坑边缘位置50m左右沉降变形逐渐趋于稳定。由图5b可知，横向监测断面监测沉降变形，曲线整体呈U形，靠近基坑围护结构中间部位沉降值最大，随着横向水平距离的增加，地表沉降值逐渐减小，横向监测断面变形值均<4mm。

图5 地表沉降曲线

2.5.2既有建筑物沉降

绘制九龙鼎各监测点变形曲线，如图6所示。

图6 九龙鼎各监测点变形曲线

由图6a可知，开挖区1施作完成时，各监测点均发生轻微沉降，其中监测点B沉降值最大，为0.75mm。随着基坑的开挖，各监测点变形均有所增加，监测点B，C距基坑位置相对于其他监测点较近，故受基坑开挖施工影响相对较大，最大变形值分别为4.41，4.11mm。

由图6b可知，随着开挖深度的增加，监测点A～E， B～F，C～G，D～H间的差异沉降逐渐增加，基坑开挖完成时，各监测点差异沉降达到最大，分别为0.43，3.05，2.60，2.05mm，可见最大差异沉降位于监测点B～F处，A～E处相对较小。

2.6 盾构区间施工沉降特性分析

2.6.1地表沉降

横向监测断面2随盾构隧道开挖沉降变化曲线如图7所示。

图7 横向监测断面2随隧道开挖沉降曲线

由图7a可知，横向监测断面2变形呈U形分布，主要沉降区域为左线中心线-21～15m(-3.5D～2.5D)。刀盘距横向监测断面>18m时，各监测点变形随着开挖断面的推进变化不大；刀盘距横向监测断面2为12m时，横向监测断面已产生沉降变形，且随距左线隧道中心轴线距离的增加而逐渐减小，最终趋于稳定；随着刀盘的继续推进，地表沉降增幅逐渐增大，且横向影响范围也逐渐扩大，当隧道掘进至横向监测断面2正下方时，最大地表沉降值为3.05mm；当刀盘穿出监测点18m时，横向监测断面2的沉降基本完成。在整个左2线施工过程中，左线隧道中心线正上方监测点沉降值最大，监测点距隧道中心线越远，沉降越小，左线隧道贯通时，最大沉降值为5.48mm。

由图7b可知，随着隧道右2线的开挖，地表沉降U形分布曲线中心线逐渐向右侧偏移。开挖面距横向监测断面2为18m时，隧道右线附近地表沉降值明显增大；开挖面位于横向监测断面2正下方时，左、右线中心线处地表沉降值分别为6.75，5.53mm；刀盘穿出横向监测断面2为18m时，地表沉降基本稳定。右2线隧道贯通时，地表最大沉降值为8.53mm，位于双线隧道中心位置，总体上看横向影响范围大致分布在隧道右线中心线-24～24m(-4D～4D)，此范围为主要沉降区域。

2.6.2既有建筑物沉降

隧道掘进过程中，九龙鼎监测点A～H随开挖断面变化变形曲线如图8所示。

图8 九龙鼎监测点随开挖断面变化变形曲线

由图8a可知，各监测点位移变化存在时空差异，但变化趋势基本一致，监测点A，B，H受左2线隧道开挖断面变化响应最显著，其次是监测点C，G。左2线隧道掘进初期，监测点A，B，H沉降变化较小，在开挖断面达到监测点中心前18m时，曲线出现拐点，监测点变形速率加快，开挖断面通过监测点中心点后18m，各监测点变形趋于稳定，最终值分别为0.45，2.27，-0.71mm，说明开挖断面距监测点中心-18～18m为各监测点变形显著区域。

由图8b可知，右2线隧道正穿既有建筑物九龙鼎，故右2线盾构掘进对各监测点变形影响较左2线掘进大。右2线掘进过程中，各监测点沉降曲线变化趋势基本一致，右2线掘进初始阶段，各监测点变形均较小，掘进至距九龙鼎中心15m左右，变形速率开始增大，在穿越监测点中心后15m左右变形达到最大，并逐渐趋于稳定。监测点H沉降值最大，从开始的-0.76mm 变化为左2线贯通时的-6.97mm， 产生6.21mm的竖向沉降。

3 现场监测分析

3.1 监测点布置

工程现场监测点布设如图9所示。

图9 监测点布置

3.2 地表沉降对比分析

根据现场监测数据，绘制监测线1，2地表沉降曲线，如图10所示。

图10 监测线1，2工后地表沉降曲线

由图10可知，监测线1，2在左线贯通后均出现U形沉降槽，在双线贯通后出现W形沉降槽，而数值模拟结果表现为左线贯通时出现U形沉降槽，双线贯通时U形槽加深、沉降区域扩展，与监测规律并不完全一致；从施工沉降槽宽度来看，工程中实际沉降槽宽度为左线贯通时4D、双线贯通时7D，对比数值模拟结果中左线贯通时6D、双线贯通时8D，其吻合度较好；从工后最终沉降值来看，数值模拟结果在左线贯通、双线贯通后的最大沉降值分别为5.45，8.53mm，监测线2对应沉降值分别为3.8，4.4mm，与数值模拟结果相比较小。

3.3 九龙鼎沉降对比分析

组1，2，3监测点环绕九龙鼎结构物以间距4m均匀布置(见图9)，前述关键工序下数值模拟结果与实际监测点位工后沉降对比曲线如图11所示。

图11 监测点工后沉降对比曲线

由图11可知，由于基坑及隧道左线距九龙鼎较远，数值模拟中对应沉降值较小，而九龙鼎结构对隧道右线开挖较敏感，右线隧道贯通后，九龙鼎周边监测点位最大沉降值约6mm，较施工监测数据略大，但数值模拟结果与施工监测规律基本一致。

4 结语

1)基坑施作过程中，随着基坑开挖深度的增加，纵、横向监测断面各监测点变形逐渐增大，且随着与基坑围护结构距离的增加，影响越来越弱。在距基坑围护结构水平距离0～50m(2.8H，H=18m)时，地表表现为沉降变形，主要变形区段距基坑围护结构水平距离0～30m(1.7H)。

2)基坑开挖时，九龙鼎各监测点均呈沉降变形，且随开挖深度的增加而增大，同时各监测点间的差异沉降也与开挖深度呈正相关，因此在实际施工过程中，应加强对既有建筑物的监控量测。

3)双线隧道开挖时，开挖断面距横向监测断面-21～15m(-3.5D～2.5D)时，各监测点变形对开挖断面变化响应显著；双线隧道贯通时，盾构施工的沉降槽分布在双线隧道中心线-24～24m(-4D～4D)，此区域为主要沉降区域，因此在刀盘通过既有建筑物前3.5D、后2.5D，可适当降低施工速度，增大盾尾注浆量来控制既有建筑物变形，同时加强双线隧道中心-4D～4D监测点的监控量测。

4)左2线及右2线施工导致九龙鼎各监测点产生沉降变形，主要变形区段为通过前10环、通过后15环；在左2线及右2线贯通过程中，D～H的差异沉降均为最大，建议在主要区段加强监控量测且采取相应的变形控制措施。